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第五章水上乐器：基本知识

1. 5.1 导言

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Aquaponics 是一种被称为综合农业-水产养殖系统（IAAS）的更广泛农业方法的一个子集技术（古利和 Gavine，2003 年）。 这一学科包括将各种形式和风格的水产养殖做法（主要是鳍鱼养殖）与植物农业生产相结合。 综合农业-水产养殖系统的理由是利用水产养殖与植物生产之间共享的资源，例如水和养分，发展和实现经济上可行和环境上更可持续的初级生产做法（Gooley 和 Gavine，2003 年）。 实质上，陆地植物和水生动物生产系统都有一个共同的资源：水。 植物通常通过蒸腾消耗水，并将其释放到周围的气态环境中，而鱼类的水消耗量一般较低，但由于积累的代谢废物，它们的封闭培养物会产生大量废水流。 因此，水产养殖可以以非消费性的方式纳入植物生产的供水途径，以便通常用于生产一种作物（植物）的水源生产两种作物（鱼类和植物）。

   将水产养殖与植物生产灌溉供应途径结合起来的另一个令人感兴趣的好处是，水产养殖也通过鱼类（和其他水生动物）新陈代谢产生的溶解和未溶解废物产生废物养分。 因此，水产养殖也可能产生适合和协助植物生产的废物养分流，满足植物的营养要求。

   Gooley 和 Gavine（2003 年）将水产养殖与传统陆生和水生植物生产系统相结合带来的优势归纳为：

   1. 提高农业生产力和盈利能力，而不增加水消费量 (第 2 章)。

   2. 农场多样化，转向价值较高的作物，包括高价值的水生物种。

   3. 重新利用其他原因浪费的农场资源 (例如捕获和再利用养分和水)。

   4. 减少半密集型和密集型农业做法对环境的净影响。

   5. 通过抵消现有农业资本和运营开支而获得的净经济效益 (第 18 章)。

   Aquaponics 据说是从相对古老的农业做法演变而来的，将鱼类养殖与植物生产相结合，特别是在东南亚、水稻稻养殖环境和南美 Chinampa、浮岛、农业实践（科米夫人和荣格 2015 年). 事实上，从历史上看，直到十九世纪（Halwart 和 Gupta，2004 年），鱼类很少被积极添加到稻田中，而且密度很低，无助于对这些植物提供大量的营养援助。 Chinampas 传统上建立在墨西哥湖泊，其中营养

   优势可能是通过富营养或半富营养湖泊沉积物提供的，而不是直接从任何设计或积极集成的鱼类生产系统获得的（莫雷哈特 2016；巴克达诺 1993）。

   20 世纪 70 年代开始于美国，并由几家对更可持续耕作方法感兴趣的机构共同发展。 早期的重要工作是由几位研究人员进行的，但最终，几乎所有现代水上乐器的祖先被认为是詹姆斯·拉科奇及其在维尔京群岛大学（UVI）的团队从 20 世纪 80 年代初开始的工作和生产的系统（Lennard 2017）。

   Aquaponics 现在被认为是一个新兴产业，在更广泛的全球农业生产环境中占有相关地位，而且鱼类养殖与水生植物培养相结合的技术有许多变化，这些技术在水生动物标语或名称下集体定义（克瑙斯和棕榈 2017). 因此，水上乐园试图通过各种方法将水养殖动物生产与水栽植物生产相结合，在主要生产组成部分之间共享水和营养资源，生产商业和可销售的鱼类和植物产品。

2. 5.2 水族学的定义

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   水产养殖与综合农业-水产养殖系统 (IAAS) 的更广泛定义相吻合。 然而，IAAS 在许多情况下应用了许多不同的水生动植物生产技术，而水产养殖与水生或水培植物培养技术（如循环水产养殖系统；RAS）相结合的关系更为紧密。伦纳德 2017 年）。 RAS 技术应用保存和标准的鱼类养殖方法，通过应用过滤来控制和改变水化学，使其适合鱼类（即快速高效地去除固体鱼废物，高效、细菌转化潜在有毒溶解的鱼类废物氨降低硝酸盐毒性, 并通过辅助曝气或直接注入氧气来维持氧气) (Timmons 等人, 2002 年). 水培和基质培养技术应用保护和标准的方法来培养水生环境中的食用陆地植物（即植物通过水基输送方法获得生长所需的营养物质）（Resh 2013）。

   水产养殖与标准 RAS 水产养殖和水栽培/基质培养的关联意味着水产养殖通常被简单地定义为 “... 在耦合或分离水循环下鱼类生产（水产养殖）和无土植物栽培水培的组合”（Knaus 和 Palm 2017）。 这一宽泛的定义强调硬件、设备或技术的整合，而且很少强调该方法的任何其他方面。

   由于 Aquaponics 是一种相对较新的工业规模技术，它采用了不同的方法和方法，因此应用的定义似乎非常宽泛。 有些人仅在循环环环境中对水生进行定义（Cerozi 和 Fitzsimmons 2017），有些人专注于不将水从植物返回到鱼类的方法（Delide 等人，2016 年），另一些则包括循环和分离方法（Knaus 和 Palm 2017）。 此外，一些研究人员正在将灌溉水产养殖污水用于土壤作物生产的水产养殖污水纳入水生产（Palm 等人，2018 年）。 从历史上看，按照这个词的细分（* 水产 * 养殖和水文 * 种子 *），水产养殖被定义为仅涉及水产养殖和水培植物生产（Rakocy 和 Hargreaves 1993），因此目前试图与土壤培养相关联的尝试似乎不协调。

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   ** 图 5.1** 水生系统内营养素流动的示意图。 鱼饲料是主要的营养切入点。 鱼吃饲料，使用他们需要的营养物质，释放其余的废物，然后将这些废物分割在微生物、植物和系统水之间。 （改编自伦纳德 2017 年）

   虽然水生养殖系统确实将基于水箱的水产养殖技术与水培植植物培养技术相结合，但水生系统的工作方式是向生产居民（鱼类和植物）和提供生物和化学服务的居民提供营养物质，并在他们之间划分营养物质，有助于生产居民结果（微生物群落）（图 5.1）（伦纳德 2017）。 因此，水上乐园是否更像是一个与营养物供应、动态和分区相关的系统，而不是与应用的技术、设备或硬件相关的系统？

   在过去的几十年中，水生动物的定义已经包括了类似的主题，有微妙的变化。 Rakocy 及其 UVI 团队的科学出版物一般都提供了最广泛的定义，例如：

   _Aquaponics 是鱼类和植物在封闭循环系统中的综合培养。 _

   — 拉科奇等人 (2004 年 a, b)

   这一早期定义所依据的假设是，单循环、完全循环系统，包括一个循环水产养殖组成部分和一个水培组成部分，代表了当时的所有水生系统。 Graber 和 Junge (2009 年) 扩大了定义，由于方法的变化和发展，如下：

   _Aquaponic 是一种特殊形式的循环水产养殖系统 (RAS)，即由鱼缸（水产养殖）和在同一水圈中种植的植物（水培）组成的多种养殖 。 _

   — 格雷伯和容格 (2009 年)

   最近的事态发展和方法要求重新考虑这一观点。 近年来，水生动物的重点已经转向一个既处理生态责任又处理经济可持续性的生产系统。 Kloas 等人 (2015 年) 和 Suhl 等人 (2016 年) 是首批解决这一经济问题的国家之一：

   _ [...] 开发了一种独特和创新的双循环水生系统，作为实现高生产率的先决条件，可与专业的独立鱼类/植物设施相比。 _

   — 苏尔等人 (2016 年)

   过去几年来，定义问题，或澄清 "什么可以界定为水生动物"，一直是讨论的问题。 其中一个主要发展领域是多循环（或分离）水生系统，旨在为植物提供额外的肥料，以使植物受到最佳营养浓度的影响（Goddek 2017）。 在完全循环和多循环水生方法的意识形态之间不应有任何抵触，这两种方法在适当的工业环境中都有各自的位置和应用，两者的共同驱动力应是，技术虽然是营养素和水高效率, 也需要在经济上具有竞争力, 才能在市场上建立自己. 为了取代传统做法，不仅需要向潜在客户/用户提供一种意识形态，即技术和经济可行性。

   欧洲 CODE 赞助的 Aquaponics 中心（COST FA1305 2017）应用了定义 ”... 水生生物和植物的生产系统，维持最佳植物生长的大多数（\ > 50%）的营养物质来自于喂养水生生物的废物 "，这清楚地放置了强调技术的营养分享方面。

   还必须指出，鱼类与植物的比例应保持在支持水生鱼核心前景的水平；植物是利用鱼类废物种植的。 例如，一种含有一种鱼和几公顷水培植物种植的系统不应被视为水生鱼类，仅仅因为一种鱼有效地满足植物的营养要求。 由于水生产品的标签在消费者选择中发挥着越来越重要的作用，我们希望通过基于这些技术的多种发展重新定义水生物来鼓励讨论。 尽管我们主张在最佳实际可行手段的范围内尽可能最高程度地结束营养周期，但潜在的定义也应考虑到所有发展情况。

   因此，定义至少应包含对植物大部分水产养殖养分的要求。 因此，新的定义可以表示为：

   Aquaponics uis/u 定义为一种综合多营养水产食品生产单元，包括最少/u 一个循环水产养殖系统 (RAS) 和一个连接的水培单元，在两个单位之间以某种形式共享培养用水。提供给植物应该是鱼类废物产生 /u.

   只要利用鱼类养殖和某种形式的水生（水培或基材培养）植物生产技术，基于营养的定义是开放的，甚至不对应用技术的选择，甚至每个成分（鱼类和植物）的比例作出判断。 然而，它也把定义的重点放在所采用方法的营养动态和营养分享方面，从而至少在一定程度上确保与水生生物相关的优势（节水、营养效率、降低环境影响、可持续性）在一定比例.

   适用于水生养殖的营养关联定义将始终引起实践者的进一步争论。 这一点得到了一个事实的支持，即 Aquaponics 名称被应用于各种不同的技术，具有不同的营养供应动机和使用结果：从系统设计和方法来看，即使不是需求，种植植植物所需的绝大多数营养物质来自鱼类废物（在某些情况下，超过 90%；Lennard 2017）改为在鱼类废物之间共享植物养分供应和更大量外部添加（例如，大约 50:50 鱼废物用于外部补充 — 正如许多现代欧洲分离水生系统设计所做的那样；COST FA1305 2017）到那些添加如此少的鱼类，以至于没有从鱼类废物到植物的可辨别养分供应的设计（Lennard 2017）。

   直到最近（即过去 3 至 5 年），这一名称一直被普遍应用于耦合和完全循环系统设计，寻求尽可能多地从鱼类废物中提供所需的植物营养（Rakocy 和 Hargreaves 1993；Lennard 2017）（图 5.2）。

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   ** 图 5.2** 耦合水生系统内主要水流的简化方案。 工艺水中的营养浓度在整个系统中均匀分布

   然而，分离方法现在占正在研究或商业应用的系统的一部分，尤其是在欧洲，在目前的做法中，并不像完全循环系统那样提供鱼类废物的植物养分需求（Lennard 2017；Goddek 和 Keesman 2018）。 例如，Goddek 和 Keesman (2018) 指出，在目前欧洲分离水生子系统设计的 3 个示例中，外部水培养物质的相对添加要求分别为 40— 60% (NerBreen)、60% (蒂拉穆尔) 和 38.1% (IGB 柏林)。 由于这些解耦设计是基于整合现有的 RAS 和水培养/基质培养技术，因此它们被认为是水生培养技术（Delide 等人，2016 年）（见 第 8 章）。

   目前，水生物的定义正在扩大，超越生态、水和营养效率的驱动因素和优化，还包括经济驱动因素（戈德克和科尔纳 2019；戈德克和基斯曼 2018；戈德克 2017；克洛斯等人 2015；雷耶斯·拉斯蒂里等人 2016 年；约盖夫等人 2016 年）（第 8 章-系统 .md））。

   许多优势往往与水生动物有关，特别是在水利用效率、营养物利用效率、可持续性、从一个输入来源 (鱼饲料) 生产两种作物的能力以及对环境的影响降低方面（Timmons 等人，2002 年；Buzby 和 Lian-shin 2014 年；翁基等人，2017 年；鲁斯塔和哈米德普尔 2011；苏尔等人，2016 年）。 商业水上乐器运营商定期引用和应用这些优势，并被用作产品（鱼类和植物）的营销和价格调控途径，因此，使用 “水上乐园” 这一名称直接和立即联系起来，标记为此类产品的产品已经生产使用包含或利用列出的优点的方法。 然而，该行业没有任何正式规定只有在所采用的技术和方法中显而易见且存在的优势时才使用 (aquaponics) 一词。 如果将上述优势分配给水生动物作为一种技术，那么当然该技术应该提供规定的优势，如果该技术不提供优势，那么不应该使用这个词（Lennard 2017）。

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   ** 图 5.3** 分离水生系统内主要水流的简化方案。 每个成分中的营养素浓度可以根据单个成分的要求分别量身定制

   由于 Aquaponics 可以从硬件设备集成方面（具有水培学的 RAS）、其营养分享或分区特性或提供重要优势的能力来定义，因此该名称在许多不同的技术上仍然存在着广泛的应用范围。方法，使用不同的方法并要求不同的结果。 因此，似乎还没有解决水生物的实际定义。

   因此，看来非常重要的问题尚未得到回答：什么是水生学，它是如何定义的？

   这就意味着水产业需要考虑的一个非常重要的方面是制定一个真实和商定的定义. 如果没有就定义达成一致，更广泛的水产行业将继续充满分歧，更重要的是，水生生产系统中生产的产品的消费者将越来越困惑到水生生物实际上是什么，这种情况不会有助于增长和行业的演变。

3. 5.3 一般原则

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   尽管水生物的定义尚未完全解决，但有一些一般性原则与广泛的水生生物方法和技术有关。

   尽可能最佳和有效地利用水生养系统中添加的营养物质来生产企业的两种主要产品（即鱼类和植物生物量）是与该技术相关的重要和共同的第一原则（Rakocy 和 Hargreaves 1993；Deleide 等人，2016 年；Knaus 和 Palm(2017 年)。 向一个系统添加营养物质 (在金钱、时间和价值方面具有固有成本) 没有用处，以便观察这些营养物质的高比例被划分为与生产的鱼类和植物或任何中间生命没有直接关系的过程、要求或结果可以帮助鱼类和植物获取营养素的形式（例如微生物 —— 细菌、真菌等） （伦纳德 2017 年）。 因此，与水生鱼类有关的最重要的一般原则可能是尽可能有效地利用应用的营养物质，以实现鱼类和植物的最佳生产。

   同样的论点也可适用于有关水生系统的用水需求；同样，添加到该系统的水应主要由鱼类和植物使用，并尽可能有效地使用，不允许泄漏到不直接的过程、生命形式或结果与鱼类和植物生产相关，或可能对周围环境产生影响（伦纳德 2017）。

   实际上，营养物质和水的有效利用导致了一些设计原则，这些原则被广泛应用于水生生物法：

   1. 最重要的原则是将鱼类产生的废物作为植物的主要养分来源。 事实上，这是水上乐器的整个想法，因此应该是该方法的一阶驱动程序。 Aquaponics 历来被视为一种使用鱼类水产养殖废物种植植物的系统，以便这些水产养殖废物对环境的影响较小，并被视为一种积极和有利可图的商品，而不是一种带有相关成本的麻烦废物产品，以满足环境立法要求 (拉科奇和哈格里夫斯 1993 年; 爱等人. 2015 年 a, b).

   2. 该系统的设计应鼓励使用鱼类养殖和植物养殖技术，这些技术本身不会吸收或破坏性地利用所添加的水或养分资源。 例如，不鼓励以土池为基础养鱼组成部分，因为土池有能力使用和使相关鱼类和植物无法获得水和养分资源，从而降低了该系统的水和养分利用效率。 同样，水培植物培养方法不应使用摄取过多营养物质或水的培养基，并导致植物无法使用这些培养基（Lennard 2017）。

   3. 系统设计不应通过生产外部废物流而浪费养分或水。 主要是，如果水和营养物质通过废水流离开系统，那么水和这些营养物质就没有被用于鱼类或植物生产，因此，水和这些营养物质正在被浪费，而且该系统的效率也不够高。 此外，废物流的生产可能对环境产生潜在影响。 如果废水和营养物质确实离开了水生系统，它们应用于替代的、外系统之间的植物生产技术，以避免水和养分浪费，有助于食用或可销售的生物质的整体生产，并且不会对环境产生更广泛的影响潜力（泰森等人，2011 年）。

   4. 该系统的设计应当是降低或理想的，完全消除水或营养物质对环境的直接影响。 水生养殖的首要目标是将鱼类产生的废物作为植物的养分来源，以免这些营养物质直接排放到可能造成影响的周围环境 (Tyson 等人，2011 年)。

   5. Aquaponic 系统设计最好能够位于环境控制的结构和情况下（例如温室、鱼室）。 这使得该系统有可能实现鱼类和植物的最佳生产率。 大多数水生设计在资本成本和持续生产成本方面相对较高，因此，在完美的环境中容纳系统的能力增强了利润潜力，从而证明了高资本和生产成本（Lennard 2017）。

   以上概述的设计原则与一套常规原则直接相关，这些原则经常适用于水生产环境，但并非总是适用于水生产环境。 这些一般原则涉及该系统的运作方式以及如何在系统及其居民中分配营养物质。

   在营养物的动态背景下，水生鱼的基本前提是鱼饲料，鱼代谢和利用鱼饲料中的营养物质，根据它们未使用的鱼饲料中的物质释放废物（包括元素），微生物群接触这些鱼的代谢废物并使用他们的少量, 但转换其余, 和植物然后访问和删除这些微生物区系转化, 鱼代谢废物作为营养来源，并在一定程度上，清洁这些废物的水介质和抵消任何相关的积累 (Rakocy 和 Hargreaves 1993; Love 等人. 2015a, b).

   由于以土为基础的鱼类生产系统本身去除养分，水产养殖系统通常采用所谓的循环水产养殖系统原则来处理鱼类生产组成部分（Rakocy 和 Hargreaves，1993 年；Timmons 等人，2002 年）。 鱼被储存在由不从水中去除养分的材料（塑料、玻璃纤维、混凝土等）制成的水箱中，过滤水处理或去除鱼类的代谢废物（固体和溶解的氨气体），然后将水（和相关营养物质）引导至植物养殖组成部分使用鱼类废料作为其营养资源的一部分 (Timmons 等人, 2002 年). 至于鱼类，不使用以土为基础的植物培养成分，因为所涉土壤会去除营养物质，不一定能够充分提供给植物。 此外，水培植物培养技术不使用土壤，比土壤系统更清洁，并允许对现有的微生物混合物进行某种被动控制。

   传统水培养的植物需要添加所谓的矿物肥料：以基础形式存在的营养物质、离子形式（例如硝酸盐、磷酸盐、钾、钙等作为离子）（Resh 2013 年）。 相反，循环水产养殖系统必须定期（每天）进行水交换，以控制鱼类废物代谢物的积累（Timmons 等人，2002 年）。 Aquaponics 致力于将两个独立的企业结合起来，以达到两种技术的最佳效果，同时否定最坏的技术（Goddek 等人，2015 年）。

   植物需要一套宏观和微观元素来实现最佳和高效的生长。 在水生鱼类中，这些营养物质的大部分来自鱼类废物（拉科奇和哈格雷夫斯 1993 年；伦纳德 2017 年；成本 FA1305 2017）。 然而，鱼类饲料（水生养系统营养物的主要来源）并不含有优化植物生长所需的全部营养物质，因此需要不同程度的外部营养。

   标准水培养和基质培养以植物直接获得的形式向水中添加营养物质（例如，通过设计的盐品种添加产生的离子、无机形式）（Resh 2013）。 鱼类释放的废物中有一部分是植物直接获得的（例如氨），但对鱼类具有潜在毒性（Timmons 等人，2002 年）。 这些溶解的离子鱼废代谢物，如氨，被无处不在的细菌物种转化，这些物种用氧离子取代氢离子，氨产品是硝酸盐，对鱼类的毒性要低得多，也是植物的首选氮源（Lennard 2017）。 适合植物吸收的其他营养物质作为有机化合物与鱼类废物的固体部分结合在一起，需要通过微生物相互作用进一步处理，以提供可供植物吸收的营养物质（Goddek 等人，2015 年）。 因此，水生子系统需要存在一系列微生物群落来执行这些转化。

   优化水生一体化的关键在于确定鱼类废物产量（直接受鱼饲料添加影响）与植物养分利用率之间的比率（Rakocy 和 Hargreaves 1993；伦纳德和 Leonard 2006；戈德克等人，2015 年）。 为了确定这种平衡，已经制定了各种经验法则和模式。 Rakocy 等人（2006 年）开发了一种将植物生长面积要求与每日鱼饲料输入相匹配的方法，并将其称为 “Aquaponic 喂养速率比”。 每平方米的植物生长面积（60—100 克/平方米/日），每天添加 60 至 100 克的鱼饲料。 这种喂养率比率是使用标准的、32% 的蛋白质商业饮食 (Rakocy 和 Hargreaves 1993) 开发的。 此外，这一比率是特别针对的水生系统（称为维尔京群岛大学 Aquaponic 系统-UVI 系统）不利用固体鱼类废物部分，过度供应氮，需要系统内被动去硝化来控制氮积累率（伦纳德 2017 年）。 另一些国家则根据不同的鱼类和植物组合确定了替代比率，并在不同的具体条件下进行了测试 (例如，非洲鲶鱼的 Endut 等人 2010 — 15-42 克/msup2/Sup/ 天，Clariepinus 和水菠菜植物，_Ipomoea 海洋藻 _)。

   UVI 喂食率比率是由 Rakocy 和他的团队开发的，作为一种近似方法；因此，为什么它被称为一个范围（Rakocy 和 Hargreaves 1993）。 UVI 比率试图考虑到不同的植物需要不同的营养量和混合物，因此，“通用” 水生设计方法是一个困难的前景。 Lennard（2017 年）开发了一种替代方法，旨在将个别鱼类废物养分生产率（基于所使用的鱼饲料以及该饲料的鱼类转化和利用率）与特定的植物养分摄取率直接匹配，以便严格的鱼类与植物比例匹配所选择的鱼类或植物物种可以在水生生态系统的设计中得到实现和考虑. 他将这种设计方法与一种特定的管理方法相匹配，该方法还利用鱼类固体废物部分中可用的所有营养物质（通过对鱼固体废物进行有氧再矿化），并且仅添加所选植物种所需的养分，用于养殖鱼类废物生产分数。 因此，这大大降低了相关的喂养率比率（例如，某些绿色绿色品种低于 11 g/msup2 /sup/ 天作为 UVI 当量），并允许任何鱼类物种与所选择的任何植物物种具体和精确匹配（Lennard 2017）。 同样，Goddek 等人（2016 年）也提出了一些模型，可以更严格地确定分离水生系统的鱼与植物成分比。

   有效利用营养素、低和高效用水、低或否定环境影响、远离传统土壤资源的能力以及资源利用的可持续性等一般原则是应用于水生系统设计和配置及其持续进行中的一般原则应该鼓励在实地和行业内进行应用.

4. 5.4 水源

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   水是水生系统中使用的关键介质，因为它是系统的两个主要组成部分（鱼类和植物组成部分）之间共享的，它是系统内养殖资源的主要载体，并设定了鱼类和植物养殖的整体化学环境。 因此，它是一个至关重要的组成部分，可能对系统产生重大影响。

   在水生系统中，水基环境、水源和水源含有的化学、物理和生物对该系统产生重大影响，因为它为该系统的各种投入需要添加的内容确定了一个基线。 这些投入反过来又会影响和设置鱼类和植物养殖的环境。 例如，任何水生生物系统的一些主要营养物质投入包括但不限于鱼饲料 (该系统的主要营养资源)、应用的缓冲液 (有助于控制和设定与鱼类和植物成分有关的 pH 值) 以及任何外部为满足鱼类和植物的营养需求而需要添加营养成分或补充（伦纳德 2017 年）。

   鱼类饲料旨在提供鱼类生长和健康所需的营养，因此含有主要用于养殖鱼类的营养混合物和数量（Timmons 等人，2002 年；Rakocy 等人，2006 年）。 另一方面，植物对鱼有不同的营养要求，鱼饲料很少满足植物的总营养要求（Rakocy 等人，2006 年）。 正因为如此，只使用鱼类饲料衍生的养分资源来养殖鱼类和植物的水生系统可以有效和最佳地生产鱼类，但它们很少对植物这样做。 最好的水生养系统设计认识到，最终的结果是以最佳和高效的生长速度生产鱼类和植物，因此也认识到需要某种形式的额外营养来满足总的植物营养要求（Rakocy 等人，2006 年；Suhl 等人，2016 年）。

   经典的、完全循环的水生养系统通常依赖鱼类饲料（在鱼类消耗该饲料后，代谢它并利用其中的营养物质）作为植物的主要营养来源，并通过某种缓冲方式补充植物所需的任何缺失的营养物质（Rakocy 等人，2006 年）或通过补充营养素（例如，将螯合营养物直接添加到培养水中，或通过叶面喷雾添加营养物质）（Roosta 和 Hamidpour，2011 年）。

   这种经典的循环水上乐园方法的最佳例子是詹姆斯·拉科奇博士及其 UVI 团队开发的 UVI（维尔京群岛大学）水生系统（Rakocy 和 Hargreaves 1993 年；Rakocy 等人，2006 年）。 UVI 设计主要通过添加鱼饲料来增加鱼类和植物培养的营养物质。 然而，鱼饲料中含有足够的钙（Casup+/SUP）和钾（KSup+/SUP）以实现最佳植物培养。 通过细菌介导的鱼废水溶解氨转化为硝酸盐，导致水柱内全系统产生氢离子，而这些氢离子的增殖导致系统水 pH 值不断降低到酸。 所采用的缓冲方法将基本盐（通常是基于碳酸盐、碳酸氢盐或羟基离子与钙或钾配对的盐）添加到系统中，以帮助控制系统水的 pH 值，达到鱼类和植物, 同时提供植物所需的额外钙和钾 (Rakocy 等人, 2006 年). 此外，UVI 系统通过定期和受控制的螯合物添加了另一种用于植物生长的主要营养素，标准鱼饲料铁 (Fe) 中没有提供。 因此，通过这两个额外的营养供应机制获得鱼饲料中没有的植物所需的钾、钙和铁（Rakocy 等人，2006 年）。

   分离的水生设计采用一种方法来养殖鱼类和植物，其方式是鱼类使用水，鱼类废物的养分被提供给植物，而不会将水再循环回鱼类（Karimanzira 等人，2016 年）。 因此，分离式设计允许在鱼类使用后更灵活地定制水化学，从而优化植物生产，因为鱼类饲料中不存在的营养素（和鱼类废物）的补充可以在不考虑水回归鱼类的情况下实现（Goddek 等人，2016 年）。 这意味着分离式设计可能会将更严格的营养混合物和强度应用于培养水、鱼后使用、植物培养，而且可以通过更严格和更强烈的营养补充来实现这一目标。

   在这两种情况下（循环和分离水生系统设计），了解水源水的化学质量至关重要，这样才能实现植物的最佳营养浓度。 例如，如果源水含有钙（在利用地下水资源时常见的情况），这将影响和改变循环水生设计的缓冲方法，以及分离设计中的营养补充程度，因为钙存在于源水将抵消植物钙需求所需的任何补充剂（伦纳德 2017 年）。 或者，如果源水含有较高的钠（Nasup+/SUP）浓度（同样，通常与地下水资源和营养植物不使用并且可能会在系统水中积聚），那么重要的是要知道有多少存在，因此可以应用管理方法来避免潜在的植物营养物毒性 (拉科奇等人, 2006 年). 因此，源水的化学性质对于整个水生系统的健康和管理至关重要。

   归根结底，由于源水化学可能影响水生系统的养分管理，并且由于水生运营商喜欢高度操纵水生水和营养物化学的能力，因此非常需要使用相关水化学的水源（如果有的话）（Lennard(2017 年)。 从这个意义上说，经过化学去除的雨水或水（例如反渗透）是水化学背景下水生物的最佳来源水（Rakocy 等人，2004a, b; Lennard 2017）。 地下水也是合适的，但必须确保它们不含浓度过高而无法实用的化学品或盐类（例如高镁或铁浓度）或含有不被鱼类或植物使用的化学品种（例如高钠浓度）（Lennard 2017）。 河流水域也可能适合作为水生源水，但与其他水源一样，应对其进行化学品存在和浓度测试。 城镇水源（即用于家庭和消费用途的网状水）广泛应用于水生生物（Love 等人，2015a，b），如果其含有可接受的营养物、盐或化学浓度，也可以接受。 就城镇市供应的水资源而言，应当指出，许多供应都采用某种形式的灭菌手段，使水可供人类饮用。 如果将这种水源用于水生动物，则必须确保可用于灭菌的任何化学物质（例如氯、氯胺等）不存在可能损害水生系统内鱼类、植物或微生物的浓度（Lennard 2017）。

   与源水相关的化学物质并不是在供应水中使用水源水时需要考虑的唯一因素。 许多天然水域也可能含有微生物和其他微生物，这些微生物可能影响水生系统的整体生态健康，或对人类健康造成明显威胁。 雨水本身很少含有微生物；然而，雨水储存在的容器或储罐可能含有或允许微生物扩散。 地下水在微生物存在方面通常很好，但也可能含有较高的微生物负荷，特别是如果来自与畜牧业或人类废物处理有关的地区。 由于农业或人类废物处理流出，河流水域也可能含有较高的微生物负荷，应再次通过详细的微生物分析进行检查（Lennard 2017）。

   由于水生系统中使用的源水的化学性质和微生物性质可能会对系统水化学和微生物学产生潜在影响，因此建议在使用前对任何应用的水源进行消毒和处理，以便进行化学去除（例如反渗透、蒸馏等）。在水生系统中（伦纳德 2017）。 如果普遍应用灭菌，将任何外来和不需要的微生物引入该系统的机会大大降低。 如果进行水处理和过滤，任何化学品、盐类、不需要的营养物质、农药、除草剂等都将被去除，因此不会对系统产生负面影响。

   清洁的水源，不含微生物、盐类、营养物质和其他化学物质，使水生子操作员能够操纵系统的水，以包含他们所需的营养混合物和强度，而不必担心任何外部影响可能会影响系统的运行或健康和强度鱼类和植物, 并且是任何商业水上活动的重要要求.

5. 5.5 水质要求

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   Aquaponics 代表着控制水质的努力，以便在尽可能接近理想的水化学条件下培养目前所有的生命形式（鱼类、植物和微生物）（Goddek 等人，2015 年）。 如果水化学能够满足这三种重要生命形式的要求，那么就可以提高生长和健康的效率和优化（Lennard 2017）。

   优化对于商业水生产非常重要，因为只有通过优化才能实现商业成功（即金融盈利）。 因此，水生系统中的水化学和水质要求对于企业取得最终商业和经济成功至关重要（Goddek 等人，2015 年）。

   目前，在更广泛的水生产业和社区内部，对于水生系统内的良好或可接受的水质，存在着分歧。 人们普遍认为，个体生命构成子集（鱼类、植物和微生物）的天然水化学要求已得到广泛的一致认可（拉科奇和哈格雷夫斯 1993 年；Rakocy 等人，2006 年；Goddek 等人，2015 年；Delide 等人，2016 年；伦纳德 2017 年）。 然而，由于存在广泛的方法、方法和技术选择，而且再循环水产养殖系统 (RAS) 和水培植物培养 (包括基材培养) 相关的独立技术的背景或历史，似乎导致运营商，科学家和设计师之间的分歧。 例如，只考虑一个单一的水化学参数 pH 值，有些人认为水培养植物的 pH 要求与 RAS 养殖淡水鱼种的 pH 要求有很大的不同（Suhl 等人，2016 年）。 水培产业通常应用 4.5 到 6.0 之间的 pH 值设置（Resh 2013 年），而 RAS 行业通常应用 7.0 和 8.0 之间的 pH 值设置（Timmons 等人，2002 年），以满足鱼类和微生物的要求（这些微生物具有重要作用）潜在有毒的鱼废物代谢物转化为毒性较小的形式）。 因此，论点是，任何 pH 值设定点都是植物、鱼类和微生物的要求之间的折衷，因此无法实现所有生命形式的最佳 pH 值，从而导致植物生产不理想（Suhl 等人，2016 年）。 然而，其他人则认为，对植物营养素摄取的养分动态的复杂性进行更仔细的审查可能会表明不同的意见（Lennard 2017）。

   水培（和基质培养）系统通过向水中添加营养盐，从而释放可用的营养离子，以基础离子形式向植物提供营养物质（Resh 2013）。 研究表明，这些离子营养形式存在于一个窗口的可用性植物，基于可用的系统水 pH 值。 因此，在标准的水培背景下，没有微生物菌群（即灭菌 — 与大多数水培系统一样），重要的是将系统水的 pH 值设置为尽可能使植物所需的离子营养混合物的水平（Resh 2013）。 在任何水培系统中，这本身都是一种妥协，因为正如任何离子营养素可用性图表（见图 5.4）所示，在不同的 PHS 中，不同的离子营养素形式是最多的（Resh 2013）。 水培工业使用这种标准的离子营养可用性关联作为其 pH 设定点的引物，并解释了为什么在灭菌的水培和基材培养系统中所需的水培操作 pH 值在 4.5 到 6.0 之间（酸性环境）。

   另外，RAS 根据养殖的鱼类以及处理和转化鱼类废物产品的微生物，应用水 pH 值设定点

   ！ 图片-3

   ** 图 5.4** 水产养殖植物的标准 pH 介导养分可用性图表示例。 红线表示水培系统的正常工作 pH 值；蓝线表示水培系统

   （蒂蒙斯等人，2002 年；戈德克等人，2015 年；苏尔等人，2016 年）。 在自然淡水环境中，大多数鱼类需要与鱼类内部 pH 值密切匹配的环境 pH 值（即水 pH 值），通常接近 7.4 的 pH 值（伦纳德 2017 年）。 此外，与 RAS 培养中溶解代谢物转化相关的主要微生物（几种物种的硝化细菌）也需要在 7.5 左右的 pH 值以最佳的氨转化为硝酸盐（Goddek 等人，2015 年；Suhl 等人，2016 年）。 因此，RAS 操作员对 RAS 淡水鱼类养殖施加 pH 设定点约为 7.5。

   pH 值为 5.5（标准、消毒、水培植物培养的平均值）和 7.5（RAS 鱼类养殖的平均标准）之间存在明显的差异。 因此，人们广泛认为，pH 值是水生科学中最大的水质妥协之一（Goddek 等人，2015 年；Suhl 等人，2016 年）。 分离式水生设计的倡导者经常将最佳 pH 值要求的差异作为解耦设计方法的论据，并指出，当分离设计可以将不同的水 pH 值设定点应用于鱼类和植物时，完全循环设计必须找到 pH 值妥协组件（苏尔等人，2016 年；戈德克等人，2016 年）。 然而，这一论点忽略的是，与水培系统相比，水生系统并不是无菌的，而是采用生态水生技术，鼓励在水生系统中存在多样化的微生物群落（Ek 2017; Lennard 2017）。 由此产生了种类繁多的现有微生物，其中许多与水生系统中的植物，尤其是植物根部形成复杂而复杂的关联（Lennard 2017）。 众所周知，在植物生理学中，许多与土壤介质和基质相关的微生物与植物根系密切相关，其中许多微生物有助于植物获取和吸收重要的营养素（Vimal 等人，2017 年）。 众所周知，其中一些微生物产生的有机分子可直接进一步促进植物生长，协助植物免疫力发展，并帮助超越植物（特别是根）病原体（Vimal 等人，2017 年；Srivastava 等人，2017 年）。 从本质上讲，这些微生物以许多方式协助植物，这些方式根本不存在于标准水培养中的灭菌环境中。

   由于存在这些多样化的微生物，植物可以通过许多方式获得养分，这些方式在仅依赖水生 pH 值设置来实现植物养分获取的系统中是不可能的（例如标准的水培和基质培养）。 其中许多微生物的 pH 值很广，就像其他土壤微生物一样，例如硝化细菌（pH 值 6.5-8.0，Timmons 等人，2002 年）。 因此，在水生系统中存在这些微生物的情况下，pH 设定点可能会提高到水培或基材培养技术中通常应用的水培或基质培养技术（即 pH 值为 4.5—6.0），同时仍然存在先进和高效的植物生长（Lennard 2017）。 这一点证明在一些水生研究人员的工作中，他们已经表现出了比标准水培学更好的植物生长率（Nichols 和 Lennard，2010 年）。

   水生系统中的其他水质要求涉及物理/化学参数，更具体地说，涉及植物养分需求参数。 在物理/化学要求方面，植物、鱼类和微生物有许多共同点。 溶解氧对鱼类、植物根系和微生物群落至关重要，必须在水生系统中保持（Rakocy 和 Hargreaves 1993 年；Rakocy 等人，2006 年）。 与大多数鱼类相比，植物根系和微生物所要求的溶解剂浓度通常相对较低；植物根系和微生物的溶解剂可以生存低于 3 毫克/升（Goto 等人，1996 年），而大多数鱼类需要高于 5 毫克/升（Timmons 等人，2002 年）。 因此，如果根据鱼类需求设置并保持水生系统内的溶氧浓度，则还满足了植物和微生物的要求（Lennard 2017）。 不同的鱼类需要不同的溶氧浓度：温水鱼（例如 _罗非鱼 _ spp.、尖吻鲈）通常可以比冷水鱼种更低的溶氧浓度（例如虹鳟鱼和北极炭等鲑鱼类）容忍；因为鱼类溶伤剂的要求几乎总是高于植物根和微花的要求，应为正在养殖的特定鱼种设定 DO（伦纳德 2017）。

   水二氧化碳 (COSub2/Sub) 浓度与溶氧化物一样，通常由鱼类设定，因为植物根系和微生物可以耐受比鱼更高的浓度。 二氧化碳浓度对于最佳鱼类健康和生长至关重要，在水生设计中常常被忽视。 COSub2/Sub 浓度的参数和设定点应与仅在鱼类、RAS 系统中培养的相同鱼类种类相同，一般而言，应保持在 20 毫克/升以下（Masser 等人，1992 年）。

   水温对于水生系统中的所有现有生命形式都很重要。 鱼类和植物物种应尽可能匹配水温要求（例如，鱼类类如 25℃ 以上的 Tilapia spp.，而罗勒等植物在这个相对较高的水温下生长；生菜品种如冷水，因此，更好匹配的鱼类候选品种是彩虹鳟鱼）（伦纳德 2017 年）。 然而，至于其他水的物理和化学参数，满足鱼类对水温的要求至关重要，因为微生物有能力根据环境条件进行特定物种选择（例如，硝化细菌物种分化在不同的水温和最符合特定水温的物种将占据系统硝化细菌生物量的主导地位），许多植物可以在更广泛的水温范围内生长得很好（Lennard 2017）。 匹配水温，并将水温保持在正负 2˚C（即高温控制）与鱼类相比是一个重要的要求，因为当水温正确且没有偏离理想平均值时，鱼类可以实现高效且优化的新陈代谢，有效地食用和转换饲料, 从而提高鱼类生长率和稳定和可预测的废物排放量, 这有助于植物培养 (Timmons 等人, 2002 年).

   保持水分净度（低浊度）是水生培养中的另一个重要参数（Rakocy 等人，2006 年）。 大多数水浊度是由于悬浮固体载荷没有得到充分过滤，这些固体物质可能会通过附着鱼的鳃来影响鱼类，从而降低潜在的氧转移率和氨释放率（Timmons 等人，2002 年）。 对于水生养殖的鱼类，建议悬浮固体载荷小于 30 毫克/升（Masser 等人，1992 年；Timmons 等人，2002 年）。 高悬浮固体载荷也会影响植物根系，因为它们有能力粘附根部，这可能导致营养素摄取低效率，但更常见的情况是增加病原生物体殖殖的可能性，从而导致根系健康不佳和最终植物死亡（Rakocy 等人，2006 年）。 这些悬浮固体也助长了异养细菌 (分解和代谢有机碳的物种) 的流行，如果允许这些物种占主导地位，可能超过其他所需物种，例如硝化细菌。

   导电率 (EC) 是一种常用于水培学的措施，以便了解水中的总营养物质含量。 然而，它无法提供关于营养素组合、是否存在单个营养物种或存在的个别营养物种数量的信息 (Resh 2013)。 它不经常应用于水生动物，因为它只测量离子（带电）营养物的存在，并且有人认为水生养素是一种有机营养物供应方法，因此，EC 不是一个相关的措施（Hallam 2017）。 然而，植物通常只能源离子形式的营养物质，因此，EC 可以作为水生系统中植物可用营养物总量的一般工具或指导（Lennard 2017）。

   对于完全循环的水生系统，在物理和化学参数方面，鱼类的要求更加严格，因此，如果管理系统以维持鱼类的要求，植物和微生物的要求就会超过满足（Lennard）(2017 年)。 然而，在植物方面的不同之处在于，它们需要正确的混合物和营养强度，以便优化营养素的获取和吸收（无论是独立的还是微生物辅助的），从而实现高效和快速的生长。 因此，解耦水生子系统可能更具吸引力，因为人们认为它们可以更严格地向植物输送营养素（Goddek 等人，2016 年）。 鱼类饲料，因此鱼类废物不含有符合植物要求的正确营养物质混合物（Rakocy 等人，2006 年）。 因此，水生系统的设计必须考虑到那些缺少的营养物质并补充它们。 完全循环的水生系统通常通过将营养素添加到用于管理日常 pH 缓冲方法的盐种中来补充营养物质；盐的基本部分调整 pH 值，盐的正部分可以补充缺失的植物养分（例如钾、钙、镁 (拉科奇等人, 2006 年). 分离式水生设计从鱼类成分中获取废水和相关固体废物，并通过添加不同形式的养分来调整水分，以包含植物生产所需的养分（Goddek 等人，2016 年）。 这些营养添加通常基于使用标准的水培盐物种，这些盐不一定能提供任何 pH 调整结果（例如磷酸钙、硫酸钙、磷酸钾等）。

   在水生系统中实现植物高效生长的途径是提供水生养分分布，提供植物所需的所有营养物质（混合物），达到所需的强度（浓度）（Lennard 2017）。 在完全循环的水生设计中，或者不采用灭菌方法的分离式水生设计中，满足标准水耕中应用的营养浓度或强度的要求似乎较少，因为该系统的生态性质将许多不同的与植物根系的微生物群落和这些微生物群有助于植物养分获取（伦纳德 2017 年）。 对于对植物成分进行灭菌并遵循标准水培模拟方法的分离式或其他水生子设计，似乎需要尝试接近标准的水培养分浓度（Suhl 等人，2016 年；Karimanzira 等人，2016 年）。 然而，采用分离方法的折衷方法是，它会导致外部补充比率远远超过完全循环水生设计；欧洲分离设计目前平均增加 50% 或更高的外部营养素（COST FA1305 2017；Goddek 和 Keesman 2018），而 UVI方法供应量低于 20%，其他系统可能提供不到 10% 的外部营养补充（伦纳德 2017 年）。

   无论采用何种方法，所有水生系统都应努力为工厂提供优化增长所需的营养，从而为企业提供最大的财务活力机会。 在这方面，输送到植物的水的营养含量和强度非常重要，应定期对水进行营养素测试，以保持和管理营养混合物和强度，作为一项非常重要的水质要求。

6. 5.6 适用鱼类养殖技术

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   在水生动物学中，整合方程的水产养殖部分广泛应用于基于水箱的环境中，鱼类被储存在水箱中，通过机械（固体去除）和生物（氨转化为硝酸盐）机制过滤水，并通过曝气或直接氧气注入（拉科奇等人，2006 年；伦纳德 2017 年）。

   正如本章 第 5.0 节 (导言) 所指出的那样，中国水上乐园 (Somerville 等人, 2014 年) 和亚洲水稻养殖 (Halwart 和 Gupta 2004) 早期迭代水上乐园原理的历史例子是毫无根据和不适当的，因为现代水上乐器依靠设计的鱼类和鱼类饲料来为植物提供设计水平的营养，因此，这些历史的例子不能以任何方式考虑类似的方式（Lennard 2017）。

   上述历史例子依赖于土壤植物培养系统，导致了一个问题，即哪些水产养殖技术适合水产养殖整合。 以土壤为基础的广泛淡水池养殖鳍鱼是用于生产淡水鱼供人类食用的最大养殖方法（Boyd 和 Tucker，2012 年）。 池塘方法依靠池塘的土底以及该土壤中存在的相关微生物群落来处理和补救鱼类养殖产生的废物，使鱼类不会生活在可能对其有毒的水中（Boyd 和 Tucker，2012 年）。 由于该系统依靠土池本身固有的处理能力，因此与其他水产养殖方法相比，鱼类密度相对较低。 由于鱼类密度较低（因此相关的喂养率较低），池塘本身处理和吸收鱼类产生的废物养分，池塘水的养分浓度极低。 这些池塘系统水生养分浓度非常低，通常不适合作为大量商业水生植物生产方法的营养来源（Lennard 2017）。 因此，就可接受的植物生产率而言，池塘并不是与水培结合的适当水产养殖方法。

   同样，通过控制的滚道鱼养殖罐，以高周转率或低停留时间提供大量水的滚道鳍鱼养殖方法（经常用于淡水鲑鱼生产）也不适合水生一体化，因为高水营业率不足以积累足够的营养物以满足植物营养要求 (Rakocy 和 Hargreaves, 1993 年).

   在水生一体化环境中应用的最合适的鱼类养殖技术是那些在鱼缸中养殖鱼类，并允许一定程度的鱼类废物积累（植物养分积累），这些技术可能导致水分养分浓度，适用于高效水培植物生产 (拉科奇等人, 2006 年). 再循环水产养殖系统 (RAS) 原则被广泛应用于水生养殖，因为它们提供了一些方法，可以在受控的水量中成功地养殖和种植鱼类，并且每日更换水量较低，允许鱼类废物（植物养分）积累接近这些需要有效地进行水培养的植物 (拉科奇和哈格雷夫斯 1993; 伦纳德 2017). RAS 的复杂性和设计要求在本书 第 3 章中进行了讨论。 只需说，RAS 鱼类养殖是在水生环境中应用鱼类养殖成分的唯一真正合适的方法，正如上文所述，以土壤为基础的水产养殖系统，如广泛的池塘系统和滚道培养系统，无法满足植物的营养需求。因此不应予以考虑.

7. 5.7 营养来源

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   任何水生生物系统的主要投入是添加的营养物质，因为水生系统的设计旨在有效地分配给他们的营养物质到三种重要的生命形式：鱼类和植物（这是该系统的主要产品）和微生物群落（这有助于使添加营养物质提供给鱼类和植物) (伦纳德 2017).

   在经典的完全循环的水生设计中，关键的设计驱动因素之一是尽可能高效地使用主要的养分输入来源，即鱼饲料，因此完全循环设计力求为鱼饲料中的植物提供尽可能多的营养素（Lennard 2017）。 另一方面，分离式设计将重点放在优化植物生长上，直接比较标准水培养和基质培养中应用的营养混合物和强度，并试图在水生环境中复制这些物质，因此不会努力提供尽可能多的鱼饲料中植物所需的营养物质，并利用大量外部营养素补充来达到所需的植物生长率（Delide 等人，2016 年）。 这意味着根据技术设计方法对添加的营养物质的来源给予了不同的重视，因此，这影响到水生系统的主要营养供应来源；对于完全循环的设计，主要的植物养分来源是鱼饲料（通过鱼类废料）生产），对于分离设计，植物的主要营养供应来源是外部补充剂（例如营养盐）（Lennard 2017）。

   完全循环的水生设计，如 UVI 水生系统模型，依靠鱼饲料作为该系统的主要营养来源（Rakocy 等人，2006 年）。 鱼类饲料被添加到鱼中，鱼类食用它，代谢它，并根据需要使用它的营养物质，然后产生一个废物流（固体和溶解）。 这种来自鱼类的废物流成为植物的主要营养来源，因此鱼饲料是植物的主要营养来源。 UVI 系统仅提供鱼类饲料中种植植物所需的大约 80% 或更多的营养素（伦纳德 2017 年）。 植物生长所需的剩余营养物质，因为鱼饲料不含所需数量，通过营养补充方法添加，这种方法具有补充额外营养物质和控制系统水生 pH 值的双重作用（Rakocy 等人，2006 年）。 这种双重作用方法被称为 “缓冲”，补充措施称为 “缓冲”。 对于 UVI 模型，被确定为缺乏鱼饲料和需要补充的两种重要植物营养物质是钾 (K) 和钙 (Ca)，并通过缓冲制度每天补充。 此外，鱼饲料中也缺乏植物需要的铁 (Fe)，通过直接添加到系统水中以几周测量的频率（即根据每周水生铁分析每 2-4 周）以螯合形式补充（Rakocy 等人，2006 年）。

   其他完全循环的水生设计方法或方法更加重视通过鱼饲料提供养分。 Lennard（2017 年）开发了一种完全循环系统的方法，通过添加的鱼饲料提供植物生长所需的 90% 以上的营养物质。 与 UVI 方法相比，这种方法通过鱼饲料提供的营养物质的效率有所提高，因为这种方法对固体鱼类废物进行再矿化（通过外部细菌介导的生物消化），并将这些养分添加到水生生物系统中进行植物利用，而UVI 方法将大部分固体鱼类废物送入外部废物流（Rakocy 等人，2006 年；伦纳德 2017 年）。 这种方法还通过缓冲制度增加了鱼饲料中缺乏的营养物质，以促进植物生长；但是，这种方法要严格得多，并且比 UVI 方法更好地操纵养分强度和混合物（Lennard 2017）。

   因此，大多数完全循环水生系统设计的主要营养添加途径是鱼饲料（主要途径）、添加钾和钙的缓冲外部补充（次要途径）以及铁螯合物的直接补充（次要途径）。

   分离式水生子系统设计，例如目前在欧洲广泛采用的设计，依靠鱼饲料营养素和活性外部补充剂的混合物来提供植物生长所需的营养素（Suhl 等人，2016 年）。 由于分离设计不会将水从植物成分返回到鱼类成分，因此可以根据植物需求定制水中的营养分布（Goddek 等人，2016 年）。 因此，分离式水生设计几乎总是依靠大量的外部营养补充来满足植物的需求，而不太重视从鱼类废物中为植物提供尽可能多的营养。 此外，与全循环方法（Lennard 2017）相比，外部补充剂的含量非常大，外部补充剂定期占植物总营养素需求量的 50% 或更高（Goddek 2017）。 用于分离水生子系统的外部营养素通常是水培养盐类似物或衍生物（Delide 等人，2016 年；Karimanzira 等人，2016 年）。 对于欧洲分离方法的植物供应而言，依靠大量额外营养物质的来源，除了源自性质上属于水培盐的鱼类废物（鱼饲料）所产生的营养物质，甚至直接影响到欧洲水生生物界目前适用, 与欧盟成本, 欧盟水上生物中心, 定义水生生物学为 “... 水生生物和植物的生产系统，其中大多数 (\ > 50%) 的养分来自源自喂养水生生物的废物” (Goddek 2017; COST FA 1305, 2017) 相比伦纳德 (2017 年），该公司将水生物定义为需要至少 80% 的鱼类废物养分供应。 有些人还争辩说，一种依赖 50% 的植物生长所需营养素来自鱼类饲料以外的外部来源的方法是否实际上是水生的，或者说是一种水培法，一种集成或添加一些鱼（Lennard 2017）？

   另一个拟议的水生系统营养物质供应来源是通过喷洒叶面植物喷雾补充外部营养素（泰森等人，2008 年；鲁斯塔和哈米普尔 2011 年；鲁斯塔和哈米德普尔 2013 年；Roosta 2014 年）。 这些叶面喷雾剂再次是水生输送的标准水培养盐或衍生物。 不同之处在于，在上述分离的例子中，营养盐直接添加到培养水中，因此植物可以通过根吸收获取（Resh 2013），而叶面喷雾，顾名思义，在植物叶片中添加溶解的营养盐，并吸收通过植物实现叶子气孔或角质层获取 (费尔南德斯等人, 2013 年).

   因此，在水生学中应用了几种主要的营养来源：鱼饲料、缓冲系统（通过添加到水柱的碱值调整盐种）、营养盐添加（添加到水柱的水培营养盐）和叶面喷雾剂（添加到叶片中的水培养盐）表面）。 所有这些都为水生养殖系统提供营养物质，用于养殖的鱼类和植物的健康和生长。

8. 5.8 水生动物作为一种生态方法

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   直到最近，Aquaponics 一直以全循环（或耦合）设计方法为主，这些方法在两个主要组成部分（鱼类和植物养殖）之间不断共享和循环水资源（Rakocy 等人，2006 年；Lennard 2017）。 此外，历来应用于水生技术的低到中等技术方法促使人们希望去除昂贵的成分，从而增加积极经济成果的潜力。 其中一个过滤组件几乎总是应用于标准 RAS 和水栽培/基材培养技术，即水生灭菌技术，一直没有被水生设计师包括在内。

   普遍采用 RAS 和水栽培/基质培养环境中的灭菌方法，因为养殖的鱼类或植物的密度高通常会吸引水生病原体的压力，大大降低了整体生产率（Van Os 1999；Timmons 等人，2002 年）。 这两种技术中水生虫害压力增加的主要原因是，每一种技术都集中精力提供最低限度的生物生态资源，因此在系统内为生物殖殖民提供了相当大的 "生态空间"。 在这些 “开放” 的生物条件下，虫害和病原物种繁殖，往往迅速殖民，以利用现有物种（即鱼类和植物）（Lennard 2017）。 在这方面，对培养水进行灭菌或消毒一直被视为解决这一问题的工程方法（Van Os 1999；Timmons 等人，2002 年）。 这意味着 RAS 和水栽培/基质培养行业都采用灭菌方法来控制相关培养水中的病原体。

   Aquaponics 一直强调相关微生物学对于执行重要生物服务的重要性。 在 Rakocy 和他的 UVI 团队的所有水生子耦合设计中，没有包括生物过滤器，因为它们证明了筏培养、水培成分提供了足够的表面积来支持硝化细菌群的大小，以便将鱼类产生的所有氨作为溶解废物产品并将其转化为硝酸盐 (拉科奇等人, 2006 年, 2011 年). 因此，Rakocy 和他的团队并不主张对系统水进行灭菌，因为这可能会影响到硝化细菌菌落。 这种历史悠久的 UVI/RakoCy 视角决定了未来的水生系统设计。 发现并讨论了不将水生灭菌纳入水生生物系统的其他优点，特别是在辅助植物微生物群的背景下（Savidov 2005；Goddek 等人，2016 年）。

   水生研究和行业目前的想法是，不应用任何形式的水生灭菌或消毒，系统水可以开发一个由多种不同微生物生物形式组成的复杂水生生态系统（Goddek 等人，2016 年；Lennard 2017）。 这就产生了一种类似于自然生态系统的情况，在这种生态系统中，高度多样的微生物群相互作用以及系统内其他相关生命形式 (即鱼类和植物)。 拟议的结果是，这种多样性导致这样一种情况：由于存在所有其他微生物群落，任何一个病原体都不能占据主导地位，因此不能对鱼类或植物生产造成破坏性影响。 研究表明，水生系统含有高多样性的微生物群落（Eck 2017），并通过上述提出的生态多样性机制，通过这种微生物多样性为鱼类和植物的健康和生长提供了帮助（Lennard 2017）。

   非消毒、生态多样化的水生生态方法历来应用于耦合或完全循环的水生设计（Rakocy 等人，2006 年），而一些分离水生设计方法则提出了灭菌的水培类比（Monsees 等人，2016 年；Priva 2009；Goddek2017 年）。 然而，似乎更多的分离设计师现在正在应用考虑生态、非消毒方法的原则（Goddek 等人，2016 年；Suhl 等人，2016 年；Karimanzira 等人，2016 年），因此承认多样化的水生微生物群落会产生积极影响（Goddek 等）。等人，2016 年；伦纳德 2017 年）。

9. 5.9 水上乐器的优势

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   由于有两种不同的、现有的类似技术可以高速生产鱼类和植物 (RAS 鱼类养殖和水栽培/基质培养植物生产)，因此将其整合起来的理由似乎是相关的。 RAS 以个人生物量增益方面的生产率生产鱼类，其饲料重量相当于其他水产养殖方法（如果不是更好的话）（Lennard 2017 年）。 此外，RAS 允许的鱼类密度高，可以带来更高的集体生物量收益（Rakocy 等人，2006 年；伦纳德 2017 年）。 在受控环境下，水栽培和基材培养具有较高的植物生产率，使其他大多数农业和园艺方法更好（Resh 2013）。 因此，最初要求水产养殖者以相当于这两种独立生产技术的速率生产鱼类和植物；如果没有，那么任何生产努力的损失都不符合任何一体化论点。 如果水生系统中鱼类和植物的生产率可以相当或更好地相当于 RAS 和水培工业，那么可以进一步说明由于整合过程而可能产生的其他优势。

   在这两种技术的植物生长率方面，标准水培养或基质培养物与水生培养物进行了直接比较。 Lennard（2005 年）在几个重复实验室实验中将水生生菜与水培控制进行了比较。 在采用标准方法进行培养床水通系统的设计和管理时，他表明，与水培（6.52 kg/msup2/sup）相比，水生生菜的产量在统计学上较低（4.10 kg/msup2/sup）。 然而，他进行了一系列实验，分离了设计的特定参数（例如，倒数与恒定水培亚单位输水、将水流速应用于水培亚单元，并比较不同的水培亚单元）或比较具体的管理驱动因素（例如缓冲方法和物种以及总体起始营养浓度），从而实现优化，然后证明水生生菜（5.77 kg/msup2/sup）在统计学上与水培生菜的生产（5.46 kg/msup2/sup）在水培生菜的生产（5.46 kg/msup2/sup）相同。这一结果表明, 对耦合或完全循环水生设计的改进可以相当于标准水耕植物生产率. Lennard（2005 年）还证明了鱼类存活率、SGR、FCR 和生长率等同于标准 RAS 和广泛池塘水产养殖中的测试鱼种（澳大利亚 Murray Cod）。

   Pantanella 等人（2010 年）还表明，在高鱼密度（5.7 千克/msup2 苏贝生菜）和低鱼密度（5.6 千克/msup2 苏贝生菜生产）水生生菜系统与标准水培控制系统相比（6.0 千克/msup2/sup）。

   Lennard（Nichols 和 Lennard 2010）表明，与同一温室内的水培 NFT 系统相比，所有生菜品种和几乎所有药草品种生产均在营养膜技术 (NFT) 水生体系中测试，统计学上相等或更好。

   Delide 等人（2016 年）比较了营养补充 RAS 生产水（添加营养成分以匹配一种水养分混合物和强度示例 —— 以水生类似物表示），全营养补充 RAS 生产水（带有添加水培养盐的 RAS 生产水在植物生长速率方面，符合水培的水养分混合物和强度，表示为分离模拟物）和水培控制（标准水培养液溶液），并表明水培水模拟物等于水培控制和分离模拟水更好的水培控制。 然而，必须指出的是，这些不是完全运行的水生生物系统，含有鱼类（以及相关的、完整的和活性的微生物含量）进行了比较，而只是从操作 RAS 中去除的水和补充，然后与水培控制水进行比较。

   Rakocy 和他的 UVI 团队通过多项研究证明，_罗非皮_spp. 鱼类生长率与标准水产养殖生产实践规定的行业标准相同（Rakocy 和 Hargreaves 1993；Rakocy 等人. 2004a、b、2006、2011 年）。

   这些研究和其他研究表明，无论结构如何（耦合和分离），水生物都有可能产生与 RAS 类似标准的水培和鱼类生产率相当或更好。 因此，上述关于水生物与其工业类似物（RAS 和水培）相等的要求似乎已得到充分证明，因此，应考虑水生生物的其他优点。

   有效的用水经常归功于水生动物。 Lennard (2005) 指出，与标准的 RAS 水产养殖控制系统相比，优化的水生试验系统（实验室）相关的节水量为 90% 或更高，而水生养殖中的植物则表现相同要求。 因此，他证明，与标准 RAS 水产养殖相比，水产养殖具有显著的节水效益。 有趣的是，这一 90% 的节水数据随后在植物使用背景下广泛地在全球水产学社区中得到了阐述（例如，水产学使用的水比土壤植物生产少 90%（Graber 和 Junge，2009 年）），这是一个例子，说明了科学论点如何被错误地采用非科学行业参与者。

   McMurtry（1990 年）表明，他的水生养殖系统的耗水率约为类似池塘养殖系统所需水量的 1%。 Rakocy（1989 年）表明，与池塘水产养殖相比，水消耗率类似 1%。 Rakocy 和 Hargreaves (1993 年) 指出，UVI 水生生物系统的每日更换水率约为系统总体积的 1.5%，Love 等人 (2015a, b) 表示其水生生物研究系统每天水流失率大约为 1%。

   将水上乐器与 RAS 进行比较，可以实现大幅节约用水，并且每天使用少量替代水。 一个精心设计的水生系统将寻求尽可能高效地使用水，因此只能替代因植物蒸散而丢失的水（Lennard 2017）。 事实上，有人建议，通过采用某种形式的空气含水量收集方案或技术，甚至可以从植物蒸散所造成的损失中回收水（Kalantari 等人，2017 年）。 水生耦合系统似乎提供了更大的节约和降低用水的潜力（伦纳德 2017 年）。 如果鱼类生产和植物使用之间的养分动态能够得到平衡，唯一的水分流失是通过植物蒸散，而且由于水是在鱼类和植物成分之间完全共享的，每日化妆水量只是代表系统植物流失的所有水分（Lennard 2017））。 解耦水生子设计提出了一个更加困难的主张，因为这两个组成部分没有完整的联系，鱼成分的日常用水量与植物成分的日常用水量不相符（Goddek 等人，2016 年；Goddek 和 Keesman 2018）。 因此，水泵系统的用水和更换率没有得到完全解决，而且可能永远不会是由于系统设计方法的巨大差异。

   有效利用营养素被指定为水生子方法，并被认为是水生子方法的一个优势（Rakocy 等人，2006 年；布利达里乌和格罗泽 2011 年；苏尔等人，2016 年；戈德克等人，2015 年）。 这通常是因为标准的 RAS 水产养殖利用鱼饲料中的养分来种植鱼，其余部分则被送入废物。 鱼类代谢饲料的大部分饲料，但只使用大约 25-35% 的添加营养物质（Timmons 等人，2002 年；伦纳德 2017 年）。 这意味着，只有鱼类的 RAS 中添加的养分中有多达 75% 被浪费而未被利用。 Aquaponics 试图将 RAS 中浪费的营养物质用于植物生产，因此，据说水生养学会更有效地利用添加的营养物质，因为两种作物是从一个输入来源生产的（Rakocy 和 Hargreaves 1993 年；Timmons 等人，2002 年；Rakocy 等人，2006 年；伦纳德 2017 年）。 鱼类废物养分使用的程度在不同的水生养分方法之间确实有所不同。 完全循环的 UVI 模型没有利用鱼类成分中产生的大多数固体鱼类废物，而将其送入废物（Rakocy 等人，2006 年），完全循环的 Lennard 模型通过利用鱼类成分产生的所有废物（直接溶解的废物）进一步推动了这一步。和通过外部微生物再矿化与主系统替换的固体）（伦纳德 2017 年）。 许多分离方法还试图利用鱼类成分产生的所有废物，通过直接使用溶解废物，再次通过外部微生物再矿化与主系统替换（Goddek 等人，2016 年；Goddek 和 Keesman 2018）。 所有这些方法和方法都表明，水生生态方法的主要驱动因素是尽可能多地利用添加的营养物质，从而尽可能有效地利用所添加的营养物质。

   独立于土壤被认为是水生生态法的一个优势（布利达里乌和格罗泽 2011；Love 等人，2015a，b）。 所认为的好处是，由于不需要土壤，水生系统或设施可能位于操作人员选择的地方，而不是存在合适的土壤 (Love 等人, 2015a, b)。 因此，该方法基于土壤可用性与位置无关，具有优于土壤农业的优势。

   有人认为，水生动物通过模仿自然系统提供了优势（布利达里乌和格罗泽 2011；Love 等人，2014 年）。 上述 Sect.5.7中概述的水生态方法/方法的生态性质，以及与多样化和密集的微花群落相关的相关优势（伦纳德 2017）。

   水产养殖具有潜在的直接环境影响，因为营养丰富的废水被释放到周围环境，一般来说是水生环境（Boyd 和 Tucker，2012 年）。 一些水培方法也可能具有这种潜力。 然而，由于主要产生废物的组成部分（即鱼类）与营养成分（即植物）相结合，水生生物可能会降低或消失营养物质的直接环境影响（Rakocy 等人，2006 年；Blidariu 和 Grozea 2011；Goddek 等人，2015 年；伦纳德 2017 年）。 然而，一些水生方法确实会产生废物（例如 UVI 模型）；但这些方法通常在水生设施现场进行处理和再利用，用于其他农业做法（Timmons 等人，2002 年；Rakocy 等人，2006 年）。 许多水生养殖方法依赖于使用标准水产养殖饲料，这种饲料含有不同浓度的钠，通常通过使用鱼粉或鱼油作为成分（Timmons 等人，2002 年）。 植物不会使用钠，因此可能会随着时间的推移在水生系统中累积，这可能导致需要某种形式的水替代品，因此钠不会累积到影响植物的浓度（Lennard 2017）。 然而，据报道，一些种类的生菜在接触水产养殖水时有能力吸收钠（Goddek 和 Vermeulen 2018）。

   耦合或完全循环的水生系统在两个主要组成部分（鱼类和植物）之间完全共享水资源。 由于这种完全连接和循环的水生性质，耦合水生系统表现出自我控制机制，无法将除草剂和杀虫剂安全地施用于植物；如果使用，它们的存在可能对鱼类产生负面影响（Blidariu 和 Grozea，2011 年）。 充分循环的倡导者认为，无法使用农药和除草剂是一种优势，其论点是它保证了无喷雾产品（Blidariu 和 Grozea，2011 年）。 分离水生动物的倡导者也寻求不使用除草剂或杀虫剂；然而，由于水不再循环到植物中的鱼，因此存在将农药和除草剂应用于植物的能力（Goddek 2017）。 因此，主张采用不同设计方法的群体对农药和除草剂的应用或缺乏应用于水生设计的植物组成部分的看法是不同的。

   人们认为，鱼类和植物在同一水生系统中的存在对鱼类和植物健康产生了积极的协同效应（Blidariu 和 Grozea，2011 年）。 这一点在一些研究中可以间接地证明，在一些研究中，水生植物生长率高于标准水培学中的生长率（Nichols 和 Lennard，2010 年；Delide 等人，2016 年）。 然而，鱼类和植物的存在与鱼类或植物健康的任何积极结果之间没有确定任何直接的因果关系。